I rimbalzi della luce nel vetro

fisica060902
Sono Simone Pagliari e frequento la 4° in un Istituto Tecnico a Biella. La mia domanda mi è venuta in mente studiando i fenomeni di rifrazione della luce nel vetro. Puntando un fascio di luce su un vetro sappiamo che lo attraversa diminuendo la sua velocità rispetto a come viaggiava prima nell'aria. Poi una volta uscito dal vetro la luce ritorna a viaggiare alla velocità di partenza (velocità nell'aria). Questo mi fa immaginare un percorso a zig zag che rimbalza sulle particelle del vetro e che quindi diminuisce solo apparentemente la velocità della luce, che poi ritornando nell'aria ha meno rimbalzi e quindi la sua velocità ritorna come all'inizio. Premesso questo la mia domanda è: come fanno i raggi di luce a non rimbalzare tutti in direzione casuale all'uscita dal vetro, dato che il vetro ha una struttura molecolare amorfa? Ovvero come faccio io ad osservare un oggetto attraverso un vetro? La sua luce non dovrebbe essere riflessa caoticamente dal vetro? Nel caso in cui la luce non rimbalzasse sulle molecole di vetro, come si spiega la diminuzione della sua velocità all'interno del vetro e il successivo ritorno alla velocità iniziale all'uscita da esso (nell'aria)?
Simone Pagliari
9 maggio 2006
L'idea che lo studente si è fatto della luce che viaggia a zig zag attraversando un mezzo materiale è assai prossima al modello fisico-matematematico di propagazione per diffusione multipla. Da un punto di vista microscopico i singoli atomi di cui il materiale è costituito diffondono la luce da cui vengono singolarmente investiti. Pertanto ciò che osserviamo sia all'interno che all'esterno del materiale è il campo ottenuto sovrapponendo la luce incidente e quella diffusa dai singoli atomi.

Alla semplicità del modello fa da contrappunto la difficoltà di calcolare la somma di tutti questi contributi, visto che la risposta del singolo atomo presuppone il calcolo del campo che lo investe, che è a sua volta il risultato della sovrapposizione di infiniti contributi.

A queste difficoltà di calcolo si è sopperito proponendo modelli alternativi. Il più semplice consiste nel sostituire l'insieme di atomi con un mezzo continuo caratterizzato da una opportuna costante dielettrica. In tal caso le componenti elettriche e magnetiche del campo vengono sostuite da campi medi, che non presentino irregolarità a ridosso dei singoli atomi. Con queste premesse si ottengono delle equazioni di Maxwell che possono essere risolte analiticamente. E tra le relative soluzioni brillano le cosiddette onde piane, a cui di fatto si fa riferimento in ottica quando si parla di rifrazione. E' significativo che queste soluzioni riproducano le onde piane incidenti una volta trasmesse, questo a prescindere dalla diffusione multipla da cui sono in fin dei conti prodotte. Di ciò non ci si deve poi scandalizzare troppo: i contributi dei singoli atomi presentano delle relazioni di fase così regolari che sovrapponendosi riproducono un'onda piana.

Perchè questo modello continuo sia valido è necessario che l'ampiezza della luce sia uniforme su distanze dell'ordine della lunghezza d'onda lambda. E questo è il caso della luce visibile (5000 angstrom) che si propaga in un solido in cui la costante reticolare è dell'ordine di 1 angstrom. Man mano che lambda diminuisce la struttura microscopica del solido emerge sempre più fino al punto in cui con i raggi X (lambda dell'ordine di qualche angstrom) l'onda trasmessa appare diffusa lungo infinite direzioni discrete, dando così luogo alla diffrazione di Bragg.
Salvatore Solimeno Centro di Ricerca & Sviluppo Coherentia, INFM, Napoli

© Copyright SISSA - Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati - Trieste (Italy) - 2001-2011